基于層次分析法的煤礦礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)定量模型研究

王紅梅

(山東省煤田地質(zhì)局第四勘探隊(duì)，山東 濰坊 261200)

礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。 煤炭是我國重要的傳統(tǒng)能源資源，我國現(xiàn)有煤礦礦山11 000多個(gè)，年產(chǎn)量達(dá)35.2億t[1-2]。煤炭在為我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展提供強(qiáng)有力能源支撐的同時(shí)，高強(qiáng)度大規(guī)模的開采活動(dòng)也引起了一系列生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。導(dǎo)致景觀破壞、植被覆蓋率降低、水體土壤污染、大氣粉塵增多、地表塌陷地質(zhì)災(zāi)害等。據(jù)《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，我國因煤礦生產(chǎn)引起地表塌陷6.56×108m2，破壞地下水資源22億t[3-4]。因此，如何使煤礦礦業(yè)活動(dòng)與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)，是煤礦可持續(xù)發(fā)展面臨問題之一。近年來，對煤礦礦山生態(tài)環(huán)境科學(xué)合理地評價(jià)已成為熱點(diǎn)問題。

國內(nèi)外眾多學(xué)者提出了一系列礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)方法，如模糊評價(jià)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、物元分析法、集對分析法、變權(quán)歐氏距離法、“3S”技術(shù)等[5-7]。但不同類型礦山開采對環(huán)境影響過程及結(jié)果也不盡相同，以往的研究主要集中在其他類型礦山，無法反映煤礦礦山特性，建立適應(yīng)煤礦礦山生態(tài)環(huán)境特征的評價(jià)體系至關(guān)重要。而礦山生態(tài)環(huán)境指標(biāo)體系沒有明確標(biāo)準(zhǔn)可參照，具有較大的模糊性和不確性。相關(guān)研究也提出了不同指標(biāo)，如綠色度概念、生產(chǎn)恢復(fù)度、敏感性和恢復(fù)力等[8-9]，這些指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)各不相同，因而需要系統(tǒng)地建立煤礦礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)指標(biāo)體系。礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜工程，難以定量化且涉及面廣，如量化方法、等級標(biāo)準(zhǔn)建立等。因此，建立起較為完善的、系統(tǒng)的煤礦礦山生態(tài)系統(tǒng)定量評價(jià)規(guī)范化程序和方法迫在眉捷。

層次分析法(AHP)是美國學(xué)者Saaty在20世紀(jì)中葉提出的。該方法將復(fù)雜的決策系統(tǒng)層次化，通過逐層比較各種關(guān)聯(lián)因素的相對重要性進(jìn)行分析和量化，從而將半定性、半定量的問題定量化，廣泛用于各個(gè)行業(yè)的評價(jià)工作中。基于此，本文以層次分析法為基礎(chǔ)，分析煤礦礦山生態(tài)環(huán)境特性，試圖建立起適應(yīng)煤礦礦山生態(tài)環(huán)境特征的規(guī)范化定量評價(jià)模型，以期為合理了解煤礦礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、礦山生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 煤礦礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)模型

1.1 煤礦礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)概念模型

該概念模型由評價(jià)因子指標(biāo)體系、評價(jià)方法和等級標(biāo)準(zhǔn)三部分組成(圖1)：通過系統(tǒng)分析煤礦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境特征，建立起適應(yīng)煤礦礦山生態(tài)環(huán)境特征的因子指標(biāo)體系；利用AHP法確定因子權(quán)重，構(gòu)建指標(biāo)量化方法，實(shí)現(xiàn)定量評價(jià)；對各指標(biāo)進(jìn)行等級劃分，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重和量化方法，確定等級閾值，建立煤礦礦山生態(tài)環(huán)境等級標(biāo)準(zhǔn)。以此建立起煤礦礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)規(guī)范化程序和方法。

圖1 煤礦礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)概念模型Fig.1 The concept model of coal mine eco-environment evaluation

1.2 評價(jià)指標(biāo)體系

科學(xué)、合理的評價(jià)指標(biāo)體系是生態(tài)環(huán)境評價(jià)的基礎(chǔ)，也與評價(jià)結(jié)果的好壞直接關(guān)聯(lián)。礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)的指標(biāo)體系尚無標(biāo)準(zhǔn)可循，而與其他礦山相比，煤礦礦業(yè)活動(dòng)引起的生態(tài)環(huán)境問題具有相異性和自身特殊性。要客觀公正地評價(jià)煤礦生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，需要選擇與煤礦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境相關(guān)聯(lián)的評價(jià)指標(biāo)。

指標(biāo)體系的構(gòu)建主要有專家咨詢法、相關(guān)性分析法、單因素最大限制法和主成分分析法等[6,10-11]。本次主要采用專家咨詢法，即先系統(tǒng)查閱相關(guān)資料和前人研究成果，歸納影響煤礦礦山生態(tài)環(huán)境主要的因素，組織一定數(shù)量煤礦行業(yè)相關(guān)專家提煉眾多因子，將意見做出概率估算，并將估算結(jié)果再次告訴專家，經(jīng)過多輪信息反饋和信息控制，將分散的意見逐漸收斂，最后進(jìn)行集中協(xié)調(diào)一致。構(gòu)建的煤礦礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示。

該評價(jià)指標(biāo)體系由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層三個(gè)層次構(gòu)成。目標(biāo)層是綜合性指標(biāo)，反映煤礦礦山生態(tài)環(huán)境總體質(zhì)量；準(zhǔn)則層由自然狀態(tài)指數(shù)、生態(tài)環(huán)境指數(shù)和人文管理指數(shù)三個(gè)綜合指標(biāo)構(gòu)成，該指標(biāo)體系以煤礦開采引起的生態(tài)環(huán)境問題為主要導(dǎo)向，同時(shí)考慮煤礦自然狀態(tài)以及人文管理對礦山生態(tài)環(huán)境潛在影響，較為全面且客觀公正；指標(biāo)層由可直接度量的具體指標(biāo)構(gòu)成，這些指標(biāo)基于煤礦礦山生態(tài)環(huán)境特性。

圖2 煤礦礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 The evaluation index system of coal mine eco-environment

該指標(biāo)體系是煤礦領(lǐng)域眾多專家意見綜合反映，注重了煤礦生態(tài)環(huán)境特性，涵蓋了煤礦植被景觀破壞、土地占用、水體土壤和大氣污染、地質(zhì)災(zāi)害、礦區(qū)復(fù)墾及管理等主要生態(tài)環(huán)境問題。生態(tài)環(huán)境指數(shù)直接反演礦區(qū)污染、地質(zhì)災(zāi)害等生態(tài)環(huán)境問題；自然狀態(tài)指數(shù)反演了煤礦礦區(qū)自然客觀因素對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響；人文管理指數(shù)反演了礦業(yè)活動(dòng)過程中人為因素對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響。在確定指標(biāo)層因子時(shí)，盡可能由多組分來綜合決定某一因子，如水、土壤污染指數(shù)是多組分綜合的結(jié)果，地質(zhì)特征由構(gòu)造、巖性、邊坡和地形地貌共同決定，這樣就囊括了更多的影響煤礦礦山生態(tài)環(huán)境的因素，使得評價(jià)結(jié)果更綜合性。

1.3 層次分析法及指標(biāo)權(quán)重確定

本文采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，其步驟如下所述。

1) 依據(jù)所構(gòu)建的評價(jià)指標(biāo)體系，專家對各指標(biāo)兩兩對比，判斷其相對重要性，用數(shù)字1～9標(biāo)度，數(shù)字越大表示相對越重要。再綜合眾多專家意見，計(jì)算兩兩因子相對重要性均值，建立判斷矩陣R，見式(1)。

(1)

式中，rij=1/rji，該矩陣為正互反矩陣。

2) 采用方根法計(jì)算R矩陣歸一化特征向量，步驟如下所述。

表1 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI參照值Table 1 The reference values of random consistency index

采用上述方法和計(jì)算過程，求得煤礦礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)體系準(zhǔn)則層和指標(biāo)層各指標(biāo)權(quán)重，見表2。

1.4 指標(biāo)量化及評價(jià)方法

對于能用數(shù)字表達(dá)的評價(jià)指標(biāo)，直接用數(shù)字賦值；對于不能用數(shù)字表達(dá)的評價(jià)指標(biāo)，用專家打分法或經(jīng)驗(yàn)值賦值，如基礎(chǔ)地質(zhì)特征、環(huán)境管理指數(shù)等。各指標(biāo)意義及賦值方法見表2。

該評價(jià)體系所用具體指標(biāo)量綱存在明顯差異，為了消除量綱差異對評價(jià)值的影響，需對量化的各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。常見的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法有極差標(biāo)準(zhǔn)化法、模糊數(shù)學(xué)法、百分比標(biāo)準(zhǔn)化法、正逆指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化法、分級給分法等[12-13]。本模型采用百分比標(biāo)準(zhǔn)化法，其方法如下所述。

對于正向指標(biāo)，即數(shù)值越大越好，如降水量、植被覆蓋面積比等指標(biāo)：Di=Ci/Si。

對于負(fù)向指標(biāo)，即數(shù)值越小越好，如土壤、水污染指數(shù)：Di=1-Ci/Si。

表2 煤礦礦山生態(tài)環(huán)境綜合評價(jià)因子權(quán)重及等級Table 2 The weight and grade of evaluation factors of coal mine eco-environments

對于中間值指標(biāo)，即極限狀態(tài)指標(biāo)值為某一中間值，如地下水pH值，計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中：Di為標(biāo)準(zhǔn)化值，在[0，1]之間；Ci為指標(biāo)實(shí)測值；Si為參照值，其值為最佳狀態(tài)值、最劣狀態(tài)值、國家標(biāo)準(zhǔn)值、國際參照值或國家(地區(qū))均值的1.5倍(表2)；Cmin為指標(biāo)最小值；Cmax為指標(biāo)最大值；Cm為中間值。

礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)值采用對目標(biāo)層逐層加權(quán)求和計(jì)算，直至最高層，其計(jì)算公式為式(3)。

(3)

1.5 煤礦礦山生態(tài)環(huán)境等級標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建

礦山生態(tài)環(huán)境定量評價(jià)目的是可以直觀對比各礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，需要建立礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)等級。以往評價(jià)等級值常由評價(jià)者或?qū)＜胰藶閯澐郑浣Y(jié)果具有人為主觀性。 本模型采用運(yùn)算構(gòu)建煤礦礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)等級值。 具體過程如下所述。

1) 根據(jù)煤礦礦山生態(tài)環(huán)境總體特性，將煤礦礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量劃分為優(yōu)(Ⅰ級)、良(Ⅱ級)、中(Ⅲ級)、差(Ⅳ級)四個(gè)等級，等級越高，煤礦礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越差。

2) 將指標(biāo)層中每個(gè)評價(jià)因子相應(yīng)地劃分為四個(gè)等級。對于已有等級標(biāo)準(zhǔn)的因子，參考已有的等級標(biāo)準(zhǔn)劃分，如地下水綜合質(zhì)量等級、土壤污染指數(shù)等。對于尚未有等級標(biāo)準(zhǔn)的因子，結(jié)合煤礦礦山生態(tài)環(huán)境特性及其環(huán)境效應(yīng)，將其劃分為四個(gè)等級。從而確定指標(biāo)層各評價(jià)因子等級閾值。

3) 參照前述的指標(biāo)量化和標(biāo)準(zhǔn)化方法，對指標(biāo)層各評價(jià)因子等級閾值標(biāo)準(zhǔn)化，再對各指標(biāo)加權(quán)求和，計(jì)算出煤礦礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量各等級綜合閾值，確定等級區(qū)間范圍值。其結(jié)果見表3。

表3 煤礦礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The grade criteria of coal mine eco-environment

2 案例應(yīng)用

本文以黑龍江伊蘭縣某煤礦礦山為例，詳細(xì)說明其應(yīng)用過程。該煤礦礦田面積2.49 km2，露天開采，開采深度90～150 m。在地形上，礦區(qū)位于松花江畔的沖積平原，東部為低山丘陵溝壑帶，西部為開闊地帶，標(biāo)高在96～98 m之間。礦區(qū)氣候?qū)僦袦貛Т箨懶詺夂颍募痉置鳎瑲夂虿町愝^大。

首先收集礦區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害、礦山復(fù)墾、環(huán)境監(jiān)測等資料，獲取評價(jià)因子指標(biāo)值，對指標(biāo)量化，其中基礎(chǔ)地質(zhì)特征、地貌破壞、礦區(qū)環(huán)境管理指數(shù)采用專家打分或經(jīng)驗(yàn)值，取值范圍為[0，1]，對生態(tài)環(huán)境影響越小，賦值越高。 參照前述方法，對指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化(表4)。 然后對目標(biāo)層逐層加權(quán)求和，計(jì)算該礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)值，其具體過程見式(4)～(7)。

0.151 3×0.45+0.241 2×0.30=0.518 6

(4)

0.111 7×0.572+0.139 6×0.645+0.122 4×0.600+0.089 9×0.620=0.576 2

(5)

(6)

(7)

該煤礦生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果值為0.530 6，參照建立的等級標(biāo)準(zhǔn)，該礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量屬于Ⅲ級。

表4 黑龍江伊蘭縣煤礦評價(jià)指標(biāo)量化及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化Table 4 The data quantification and standardization of evaluation factors of coal mine in Yilan county, Heilongjiang province

續(xù)表4

評價(jià)指標(biāo)量化值數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化植被覆蓋面積比6.2%0.574(正向指標(biāo))年尾礦廢物利用率17%0.200(正向指標(biāo))水污染指數(shù)3.280.672(負(fù)相指標(biāo))生態(tài)環(huán)境指數(shù)土壤污染指數(shù)1.220.695(負(fù)相指標(biāo))產(chǎn)塵強(qiáng)度428g/t0.572(負(fù)相指標(biāo))地質(zhì)災(zāi)害面積比3.3%0.645(負(fù)相指標(biāo))礦山冶理面積比6%0.600(正向指標(biāo))地貌破壞0.620.620(正向指標(biāo))人文管理指數(shù)煤礦區(qū)位指數(shù)0.330.330(正向指標(biāo))環(huán)境管理指數(shù)0.570.570(正向指標(biāo))環(huán)境治理投入比0.5%0.417(正向指標(biāo))環(huán)境科技人員比1.2%0.500(正向指標(biāo))

3 結(jié) 語

煤礦礦山在提供資源的同時(shí)，也引起了一系列生態(tài)環(huán)境問題，而煤礦礦山生態(tài)環(huán)境具有自身特性。本研究從煤礦礦山生態(tài)環(huán)境特性出發(fā)，構(gòu)建一套由自然狀態(tài)指數(shù)、生態(tài)環(huán)境指數(shù)和人文管理指數(shù)組成的包含18項(xiàng)二級指標(biāo)的煤礦礦山生態(tài)環(huán)境定量評價(jià)指標(biāo)體系。運(yùn)用層次分析法確定了該指標(biāo)體系因子權(quán)重、指標(biāo)量化和標(biāo)準(zhǔn)化方法，建立了煤礦礦山生態(tài)環(huán)境定量評價(jià)方法。將煤礦礦山生態(tài)環(huán)境劃分為四個(gè)等級，通過劃分指標(biāo)層每個(gè)因子等級，確定了煤礦礦山生態(tài)環(huán)境各等級區(qū)間范圍值，建立起了煤礦礦山生態(tài)環(huán)境等級標(biāo)準(zhǔn)。采用該評價(jià)模型，對伊蘭縣煤礦生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，該煤礦礦山生態(tài)環(huán)境綜合評價(jià)值為0.530 6，屬于Ⅲ級。該模型適合煤礦礦山生態(tài)環(huán)境特性、具有規(guī)范化和定量化的特點(diǎn)。